elementaire deeltjes

12
GRONDLEGGER
Natuurkundige Gerard
’t Hooft (1946) is
grondlegger van de
moderne fysica,
waarvoor hij in 1999
met Martinus Veltman
de Nobelprijs voor
Natuurkunde kreeg.
Hij is hoogleraar aan
het Instituut voor
Theoretische
Natuurkunde aan de
Universiteit Utrecht.
GERARD ’T HOOFT
ELEMENTAIRE
DEELTJES
EEN UITZONDERLIJKE EXPLOSIE VAN
CREATIVITEIT waarin plotseling alle puzzelstukjes op hun plaats vallen vormde de opmaat
naar de Nobelprijs voor Gerard ’t Hooft.
TEKST
ROBBERT DIJKGRAAF FO T O WOUTER VANDENBRINK
W
AS HET EEN BERICHT op de voorpagina van de
krant? Of zijn korte verschijning in een BBC-documentaire over de kleinste deeltjes? Voor mij, een
middelbare scholier totaal in de ban van de fysica,
was er geen enkele twijfel: ik moest in Utrecht gaan
studeren. Want daar werkte Gerard ’t Hooft. Daar gebeurde ‘het’.
Eerlijk gezegd had ik geen benul van wat ‘het’ precies was. De kranten
spraken in onduidelijke termen over ‘renormalisatie’ en het verdwijnen van oneindigheden. Het was belangrijk genoeg voor een mogelijk
retour Stockholm. Pas veel later drong de werkelijke grootte van de bijdrage van ’t Hooft tot mij door. Hij had niet een nieuw deeltje of natuurwet ontdekt, nee, hij had het fundament van de hele fysica gered.
Wat houdt het binnenste van de wereld bij elkaar? Vandaag de dag vinden we het heel gewoon dat deze oeroude vraag een simpel antwoord
heeft. Het uienschillenmodel van de natuur zit diep in ons denken verankerd. Laagje voor laagje kan materie worden afgepeld: moleculen bestaan uit atomen, die op hun beurt weer uit atoomkernen bestaan, vervolgens krijgen we kerndeeltjes, quarks, et cetera, alles culminerend in
wat nu het standaardmodel van de elementaire deeltjes wordt genoemd. Zeventien deeltjes en drie krachten die samen alles om ons
heen verklaren. Een triomf van de fysica. Maar de succesvolle mars naar
de ultieme bouwstenen heeft duistere perioden gekend.
Vlak na de oorlog had een jonge generatie fysici, onder wie icoon
Richard Feynman, een perfect werkend model gemaakt voor de toen
bekende deeltjes. Deze quantumveldentheorie beschreef de interacties in een atoom en was een combinatie van de twee pijlers van de
moderne natuurkunde: de relativiteitstheorie en de quantumtheorie. Deeltjes werden beschreven als Feynmandiagrammen, complexe
paden in ruimte en tijd die zich kunnen splitsen en weer samenvoegen. De quantumtheorie kende aan elk van deze diagrammen een zekere kans toe. Eenvoudig en tegelijkertijd onvoorstelbaar krachtig en
nauwkeurig was dit het pad naar de toekomst.
Maar dat zelfvertrouwen verdampte snel in de jaren ’50 en ’60, toen in
versnellers meer en meer deeltjes werden gevonden. In plaats van een
handvol formules nam de beschrijving de vorm aan van een dik telefoonboek. Lag er nog wel een eenvoudig systeem onder deze chaos?
Eén voor één verloren toonaangevende natuurkundigen hun geloof.
5 6 Vrij Nederland SEPTEMB ER 2 0 1 5
Een van de weinigen die de vlam voor een fundamentele theorie brandend hielden, was de Nederlandse natuurkundige Martinus Veltman.
Als typische radicaal-conservatief liet hij zich niet van de wijs brengen
door alle twijfel en hield hij koppig vast vast aan de oude droom. Zijn
geluk was dat hij ’t Hooft als briljante student kon lanceren om de technische problemen op te lossen, wat zijn visie mogelijk maakte. Waar
iedereen de moed had opgegeven, lukte het, gestaag doorrekenend en
niet geïntimideerd door de complexiteit, om de quantumveldentheorie toch te laten werken. De Nobelprijs die Veltman en ’t Hooft in 1999
voor dit werk kregen, is dubbel zo mooi omdat hun werk laat zien dat
een uitzonderlijke prestatie de combinatie van diepe intuïtie én technische brille vereist. Een tweetrapsraket reikt nu eenmaal hoger.
De jaren zeventig werden een gouden tijd voor de fysica. De definitieve theorie van de elementaire deeltjes kreeg vorm onder de bedrieglijk nietszeggende naam ‘standaardmodel’. Tegelijkertijd werden veel
van de voorspelde nieuwe deeltjes in versnellers in CERN en elders gevonden. Ze voldeden perfect aan de uitkomsten van ’t Hoofts berekeningen. Het was een uitzonderlijke explosie van creativiteit waarin
plotseling alle puzzelstukjes ineenpasten.
In zo’n manische periode van de wetenschap ontstaat er vaak een
nieuwe kijk op de natuur. Zeer zelden valt zo’n tijdsbeeld samen met
de persoonlijke visie van een individuele onderzoeker. Dit was het geval voor ’t Hooft. Alles wat hij die jaren aanraakte, werd goud. Veel gereedschap van de moderne fysica, dat nu dagelijks wordt gebruikt, is
door hem bedacht. Al deze nieuwe technieken, met exotische namen
als monopolen, instantonen en planaire diagrammen, vangen gezamenlijk een groter idee: de moderne fysica kan beschreven worden
in elegante wiskunde, vaak met een meetkundig karakter.
D E MA G IE
Wat zijn de ingrediënten van ’t Hoofts succes? Allereerst maakt hij
zich de materie volledig eigen. Hij is niet in staat over een probleem
na te denken als hij niet het gehele bouwwerk vanaf de basis zelf
heeft opgebouwd, liefst met eigen notatie en methodologie. Geen
eindeloze reeks verwijzingen naar de literatuur, maar een recept from
scratch.
Ten tweede: een diep respect voor het handwerk van rekenen. Niet
voor niets staat op de voorkant van zijn proefschrift een Feynmandiagram dat met naald en draad geborduurd wordt. Ook het grootste
gobelin wordt steekje voor steekje gemaakt.
Ten slotte: de magie. Een luchtige sprong naar de overkant die de
zwaartekracht tart. De stap die uit het niets komt en vanzelfsprekend
lijkt – achteraf dan.
Het is niet eenvoudig om zo’n leermeester te hebben. ’t Hooft is een
bergbeklimmer die liefst in zijn eentje de hoogste toppen beklimt.
Hij inspireert op afstand en is onmogelijk te evenaren of te kopiëren.
Ik kan me voorstellen dat musici zo’n gevoel hebben bij Mozart. Wat
heerlijk dat zijn werk bestaat. Of je het nu elke dag gebruikt of van
veraf bewondert, het maakt de wereld mooier.
ROBBERT DIJKGRAAF is directeur van het Institute for
Advanced Study in Princeton, VS. Daarnaast is hij, sinds
2005, hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam. Tot
juni 2012 was hij president van de KNAW. Hij promoveerde
in 1989 bij Gerard ’t Hooft.
SEPTEM BER 2015 Vrij Nederland 57